Dauguma egzoplanetų aptinkamos netiesioginiais metodais, pagal poveikį savo žvaigždėms: arba gravitacinį, kai žvaigždė juda aplink bendrą masės centrą su planeta, arba šviesinį, kai planetos tranzitas reguliariai pritemdo žvaigždę. Neseniai pasiūlytas visiškai naujas metodas, kaip būtų galima aptikti egzoplanetas, skriejančias aplink dvinares baltąsias nykštukes, stebint iš sistemos sklindančias gravitacines bangas.
Per pastaruosius beveik tris dešimtmečius, praėjusius nuo pirmųjų egzoplanetų atradimo, jų aptikome daugiau nei 4000. Dauguma aptinkamos netiesioginiais metodais, pagal poveikį savo žvaigždėms: arba gravitacinį, kai žvaigždė juda aplink bendrą masės centrą su planeta, arba šviesinį, kai planetos tranzitas reguliariai pritemdo žvaigždę.
2011 metais žinomų egzoplanetų erdvėlapis. Beveik visos jos yra 1000 šviesmečių atstumu nuo Žemės arba arčiau. Per pastaruosius aštuonerius metus atrasta daug daugiau egzoplanetų, bet jų atstumo pasiskirstymas pakito nežymiai.
© Planetary Habitability Laboratory, University of Puerto Rico
Kai kurios planetos nufotografuotos tiesiogiai; yra ir kitų metodų, kaip jas galima aptikti, bet praktiškai visi metodai riboja paieškų zonas. Jie jautriausi masyviausioms planetoms, dažnai tik toms, kurios yra arti savo žvaigždžių. Be to, kuo toliau nuo mūsų yra žvaigždė, tuo sunkiau aptikti jos planetas. Taip pat sudėtinga tyrinėti blausias žvaigždes tankiose aplinkose, žvaigždes už dulkių debesų ir taip toliau. Šie apribojimai greičiausiai nepranyks artimiausius keletą dešimtmečių.
Neseniai pasiūlytas visiškai naujas metodas, kaip būtų galima aptikti egzoplanetas, skriejančias aplink dvinares baltąsias nykštukes, stebint iš sistemos sklindančias gravitacines bangas.
Panašus metodas jau naudojamas ieškant egzoplanetų prie dvinarių žvaigždžių, tik jis remiasi elektromagnetinėmis bangomis. Planetos gravitacija pakeičia žvaigždžių orbitas, o tai, savo ruožtu, gali pakeisti žvaigždžių tranzitų arba pulsaro signalų periodiškumą.
Stebėdami šiuos pokyčius keletą orbitų, galime nustatyti, kokios masės kūnas sukelia perturbacijas ir taip išsiaiškinti planetos savybes. Panašiai siūloma ir naujajame tyrime: gravitacinių bangų signalas turėtų tapti mažiau reguliarus, jei aplink dvinarę sistemą skrieja planeta.
Dvinarė baltoji nykštukė (dailininko vizualizacija). © Caltech/IPAC
Ar toks signalas būtų pakankamai stiprus, kad galėtume jį aptikti? Dabartiniai gravitacinių bangų detektoriai tam nėra pajėgūs – LIGO ir „Virgo“ gali aptikti besijungiančias juodąsias skyles ar neutronines žvaigždes, bet gerokai didesnio spindulio ir mažesnės masės baltosios nykštukės spinduliuoja pernelyg silpnai.
Viskas turėtų pasikeisti po maždaug 15 metų, kai darbą pradės kosminis gravitacinių bangų detektorius LISA. Jis susidės iš trijų erdvėlaivių, kurie skraidys išsirikiavę lygiakraščiu penkių milijonų kilometrų kraštinės ilgio trikampiu. Atstumas tarp aparatų bus nuolatos matuojamas lazeriais ir išlaikomas kuo pastovesnis. Pro sistemą praeinanti gravitacinė banga iškreips visus tris atstumus, bet kiekvieną skirtingai – to turėtų pakakti bangos ir jos šaltinio savybėms nustatyti.
Prieš porą metų atliktas bandymas parodė, kad jau dabartinių technologijų pakanka, norint išmatuoti ir išlaikyti pakankamai tikslų atstumą tarp kosmose skraidančių aparatų. Didelis atstumas tarp aparatų leis tyrinėti gravitacines bangas, kurių dažnis yra mažesnis už vieną hercą, t. y. kurių šaltiniai sukasi ilgesniais nei vienos sekundės periodais. Tarp jų yra ir dvinarės baltosios nykštukės; vienas iš LISA projekto uždavinių yra kompaktiškų dvinarių sistemų Paukščių Take paieška ir charakterizavimas.
„LISA Pathfinder“ bandomosios misijos rezultatai – gebėjimas išlaikyti nekintantį atstumą tarp dviejų aparatų. LISA projekto poreikiai pažymėti dryžuotu regionu – liekamieji judėjimo pagreičiai turi būti mažesni, nei regiono riba. Mėlynai ir raudonai pažymėti bandymų rezultatai; 2017 vasario mėnesio bandymas pasiekė LISA reikalavimus, naudodamas šiandieninę techniką. ©ESA/LISA Pathfinder Collaboration
O visgi kaip su planetomis? Naujojo tyrimo autoriai skaičiuoja, kad masyvios planetos gali sukelti gravitacinių bangų signalo perturbacijas, kurias LISA galėtų užfiksuoti ne tik Paukščių Take, bet ir Magelano debesyse. Gravitacinių bangų signalų nestabdo tarpžvaigždinės dulkės, neužmaskuoja kitų žvaigždžių spinduliuotė, jie nekinta dėl žvaigždžių aktyvumo, taigi signalas turėtų būti labai „švarus“. Esant idealioms sąlygoms, LISA galėtų užfiksuoti netgi 50 Žemės masių planetos įtaką. Iš principo, net ir pati planeta skleidžia gravitacines bangas, tačiau šis signalas yra pernelyg silpnas, kad jį aptiktų LISA ar koks kitas planuojamas detektorius.
LISA ir LIGO jautrumo palyginimas. Abu detektoriai jautrūs panašaus stiprumo gravitacinėms bangoms, tačiau LISA tyrinės gerokai mažesnio dažnio bangas. Tokias bangas turėtų skleisti besijungiančios supermasyvios juodosios skylės arba arti viena kitos skrendančios baltosios nykštukės.
© Akerib et al. 2002
Kol kas žinome vos kelias planetas prie baltųjų nykštukių. Atradę jų daugiau, galėsime geriau suprasti, kaip planetinės sistemos išgyvena savo žvaigždžių mirtį ir kaip jos pasikeičia, besisukdamos aplink žvaigždės liekaną. Taigi šis metodas gali reikšmingai prisidėti prie egzoplanetų tyrimų. Platesne prasme tai yra vienas iš daugybės įrodymų, kad gravitacinių bangų astronomija tampa reikšminga astrofizikinių tyrimų dalimi: gravitacinės bangos tampa svarbios ne (tik) pačios iš savęs, bet ir kaip priemonė kitiems reiškiniams tyrinėti.
Tyrimo rezultatai publikuojami „Nature Astronomy“, laisvai prieinama „arXiv“ versija.
